下穿填埋场隧道综合超前预报与防控措施研究*

2022-05-11张晓磊冯世进

工程地质学报 2022年2期

赵勇张晓磊冯世进

(同济大学，地下建筑与工程系，上海 200092，中国)

0 引言

随着我国国民经济的稳步增长和基础设施建设水平的不断提升，全国公用交通设施建设迅速发展，隧道建设总里程不断攀升。数据统计表明，我国的隧道修建规模和难度均已位列世界之最(李术才等，2014)。在隧道建设的过程中，常常需要穿越各类复杂自然地质条件及人工建筑物或构筑物，如岩洞、断层、河流、建筑物桩基等，由此引发塌方、涌泥、突水、岩爆等一系列工程灾害，可造成施工工期延长，施工成本增加，甚至危及施工人员健康安全，对隧道施工产生极大的影响(黄勇等，2021；兰恒星等，2021)。为尽可能减少或避免隧道施工环境地质灾害，在隧道开挖前期或开挖过程中，采用有效的探测方法，对前方地质情况与灾害隐患进行预判，能够减少施工的盲目性，为隧道施工及结构设计提供科学依据(赵永贵等，2003；肖书安等，2004；王生仁，2021)。隧道超前地质预报从20世纪70年代开始受到广泛重视，并逐步推广应用于实际隧道工程。目前常用的隧道超前预报方法有传统的地质分析法、水平钻孔法、超前导坑法，基于地震波理论的隧道地震预报法(TSP)、陆地声纳法，基于电磁理论的瞬变电磁法(TEM)、地质雷达法，基于热导理论的红外探测法等等(刘新荣等，2015；石连松等，2016；舒森等，2018)，然而任何超前预报方法均有其局限性和缺陷，单一方法难以对掌子面前方地质情况作出准确判断(赵永贵等，2008)。历经几十年的发展，隧道超前地质预报方法已由单一方法分析阶段发展到结合地球物理探测和地质分析的综合预报阶段(李天斌等，2009；杨继华等，2019)。目前，针对断层破碎带、岩溶地层、地下承压水层等不良地质体，已建立了较为完备的综合超前地质预报体系与工作流程，并取得了许多成功案例。马亢等(2009)以地质分析为基础，综合运用TSP、地质雷达、赤平投影和关键块体检索法、断层错动制解、室内岩石力学试验、数值模拟以及隧道内地质观测分析等方法对断层及岩爆灾害成功进行了预测。周东等(2015)针对岭脚隧道施工前方不良地质体，在洞内和洞外采用陆地声纳法、瞬变电磁法、地质雷达、微分电测等进行了综合探测，取得了较好的探测效果。周捷等(2017)在铜锣山隧道施工过程中综合采用了真反射层析成像、瞬变电磁、地质雷达等多种探测方法，通过多参数相互验证获取了掌子面前方围岩及地下水赋存情况，为隧道施工方案制定与设计变更提供了技术依据。综上所述，当前关于隧道综合超前预报的研究大多针对传统不良地质体，然而，随着城市地下空间的不断开发利用，隧道及地下建筑施工将可能对邻近存在环境污染风险的人工地质体产生影响，由此引发一系列环境灾害问题，如隧道下穿填埋场引发渗滤液渗漏等。当前国内外研究对此类环境岩土工程的报道较少，针对隧道施工引发环境灾害问题的超前预报与防控体系尚未建立。

新建深圳坂银通道工程，根据前期线路规划设计，将以隧道形式下穿深圳下坪固体废弃物填埋场。由于填埋场内建设有垃圾体封顶覆盖系统和底部衬垫系统，前期地质勘察钻孔无法打设，填埋场下部地质情况不明，存在较大隧道施工风险。此外，下坪填埋场内当前堆有最高达80 m的垃圾体，未来还将继续填埋至150 m，垃圾堆填体内部每时每刻都在产生大量有毒有害的渗滤液和填埋气。填埋场底部衬垫建设时间较早，服役状态不明，一旦有毒有害液体与气体下渗至隧道地层，将对隧道施工人员健康安全与隧道正常施工产生极大影响。本文针对隧道下穿下坪填埋场的勘察与施工难点，综合地震预报法(TGP)、瞬变电磁法(TEM)、超前钻孔、水样分析以及气体检测等多种岩土工程、地球物理和化学方法，建立了下穿填埋场隧道施工综合超前预报体系，对隧道下穿填埋区段围岩质量、渗滤液渗漏和填埋气渗漏情况进行了超前探测，确定了潜在渗漏风险隧道区段，并提出了相应工程应对措施。本文研究成果可为隧道穿越环境风险区域施工的超前预报工作提供参考借鉴。

1 工程概况

深圳市坂银通道工程位于深圳中部发展轴上皇岗路及清平快速之间，项目南起泥岗上步立交南端，北至坂雪岗大道环城南路交叉口北侧，工程采用城市主干道标准建设，双向6车道，设计车速50 km·h-1，全长约7.91 km(图1)。全线包括鸡公山隧道1座，隧道长约4.6 km，为分离式隧道，单洞宽度约为15 m，采用新奥法施工，台阶法开挖。鸡公山隧道于左线里程LK3+842～LK4+491、右线里程RK3+770～RK4+589下穿了深圳市下坪固体废弃物填埋场，下穿总长度约为800 m，隧道顶板距离填埋场底部垂直距离最近仅36 m。

图1 鸡公山隧道位置与地质纵断面剖面图

2 下穿填埋场隧道综合超前预报体系

隧道综合超前预报方法相比于单一的预测方法，能够通过方法之间的相互弥补与对比验证，取得更为准确的预测结果。有关于综合超前预报体系的构建，学者们提出了多种原则与思路，如李术才等(2008)提出综合预报要“合理搭配、科学管理、贯穿全程、因地制宜”，李天斌等(2009)提出隧道综合超前地质预报应以“地质分析为核心，综合物探与地质分析结合，洞内外结合，长短预测结合，物性参数互补”为原则。总体而言，隧道综合超前预报体系，应根据预报任务对象的特点，基于探测距离、探测原理等能形成互补的方法来综合确定。

下穿下坪填埋场隧道施工超前地质预报主要任务如下所示：(1)预测隧道开挖掌子面前方围岩质量，确定断层位置和影响范围；(2)查明隧道下穿填埋场段渗滤液渗漏情况，判断渗滤液潜在渗流通道；(3)确定隧道开挖洞内填埋气泄露情况。针对本次超前预报任务，对比分析目前常用隧道探测方法特点，本研究采用地震预报法(TGP)、瞬变电磁法(TEM)、超前钻孔、水样与气体化学分析法共同组建综合超前预报方案。

地震预报法(TGP)基于地震波反射原理，采取排列方式激发隧道当中的地震波，通过接收不良地质体的反射波并进行信号处理，实现隧道中地质预报的目的(王志强等，2019)。TGP探测距离较长，一般在100～150 m范围，对于与隧道大角度相交的断层破碎带有较好的探测效果，对地下水敏感性不强。隧道瞬变电磁法(TEM)主要是利用电磁场来探测地下介质，先用不接地的回线向隧道掌子面前方发送脉冲式一次电磁场，根据地下介质体中激发的二次电磁场分布进行探测与推断(苏茂鑫等，2010)。TEM探测距离根据线圈大小、匝数以电流值、探测介质物性等变化而改变。TEM对含水地质构造非常敏感，但目前仍无法精准定位。超前钻孔是较为传统的地质分析预报方法，可直观揭示掌子面前方地质状况，分为地质钻探法和加长炮孔法(苟德强等，2017)。地质钻探法探测距离较长，一次钻探可达30 m以上，但成本较高，占用工期较长；加长炮孔法探测距离较短，开挖每循环均需施钻探测，但成本较低，基本不占工期。水样与气体化学分析在隧道地质预报中使用较少，常用于环境检测，是确定渗滤液和填埋气渗漏状况的最直接的方法。水样可通过超前钻孔获取，送至实验室化验。气体应进行现场检测和实时分析，以保证隧道爆破开挖施工的安全。

结合本次下穿下坪填埋场隧道超前预报的任务以及所选方法的特点，构建隧道超前地质预报体系架构如图2所示。针对开挖掌子面前方围岩质量探测，拟采用TGP和TEM进行，两种方法相互对比验证，结合当前掌子面情况，划分前方围岩质量分级。针对渗滤液渗漏探测，拟结合TGP对前方断裂带的预测和TEM对前方水体的预测，判断潜在渗滤液渗流通道位置，然后通过超前钻孔取水化验，判别渗滤液实际下渗情况。针对填埋气渗漏检测，拟通过手持式气体检测仪，在开挖掌子面对填埋气中含量和危险性程度较大的甲烷、一氧化碳和硫化氢气体成分进行长期定时测试。最终根据所有测试的结果，对前方地质及渗滤液、填埋气分布情况进行综合判别，划分渗滤液渗漏风险区段，并采用相应的工程防控措施。

图2 下穿下坪填埋场隧道综合超前预报体系

3 下穿填埋场隧道综合超前预报分析

鸡公山隧道下穿下坪填埋场区段(LK3+842～LK4+491、RK3+770～RK4+589)超前预报工作均依据下穿填埋场隧道综合超前预报体系开展，以下以隧道右线RK3+750～RK4+000区段为例进行检测结果详细分析。

3.1 TGP测试与结果分析

本次TGP测试所使用仪器为TGP206系统，TGP测试时激发炮孔与检测接收孔的布置如图3所示。单次共打设24个激发炮孔，在距离掌子面5～10 m并在隧道洞壁一侧按直线分布布置，炮孔孔深2 m，间距2 m，与隧道纵轴垂直且向下倾斜10°。炮孔内装有75～100 g炸药，炸药激震的同步信号采取开路触发方式以保证地震波信号的时间精度。在距离最近炮孔20 m的距离打设2个检测接收孔，在隧道左右边墙对称布置，接收孔孔深2 m，为水平孔。接收孔内接收探头采用定向工具安装，并采用黄油直接耦合钻孔壁，有利于提高接收信号的信噪比。

图3 TGP测试布置

在隧道右线RK3+750～RK4+000区段共进行两次TGP测试，第1次测试里程桩号为RK3+685，测试掌子面围岩级别为Ⅲ级，探测距离120 m。第2次测试里程桩号RK3+845，测试掌子面围岩级别为Ⅳ级，探测距离155 m。在TGP探测资料向地质状况的解释过程中，以纵波资料为主对围岩完整性进行分析，结合横波资料对地质现象进行解释。解释中，遵循以下准则：(1)正反射振幅表明岩层变硬，负反射振幅表明岩层变软；负反射与正反射的组合表明该位置有断裂(断层)。(2)若横波反射较纵波强，则表明岩层饱含水。(3)纵横波速度比增加或δ(泊松比)突然增大，常常由于流体的存在而引起。(4)若纵波波速下降，则表明裂隙或孔隙度增加。

图5 隧道RK3+845～RK4+000区段TGP测试结果图

探测结果如图4和5所示，综合分析纵波绕射偏移、横波绕射偏移以及比速度和反射符号分布可知，在第1次测试中，RK3+720～RK3+750区段，纵波波速下降，接收到负反射振幅，推测该区段围岩质量下降，第2次测试中，RK3+860～RK3+880区段，纵波波速下降，接收到正负反射组合情况，推测该位置岩层存在断层破碎带，综合掌子面地质情况与其余地勘资料，RK3+750～RK4+000区段围岩质量推测如下：RK3+750～RK3+845，岩质较坚硬，完整程度和自稳性较好，围岩级别Ⅲ级；RK3+845～RK3+860，岩质较坚硬，完整程度和自稳性一般，围岩级别Ⅳ级；RK3+860～RK3+880，岩质较软，局部围岩破碎，自稳性较差，围岩级别Ⅳ弱级；RK3+880～RK4+000，岩质较坚硬，完整程度和自稳性一般，围岩级别Ⅳ级。

图4 隧道RK3+685～RK3+805区段TGP测试结果图

3.2 TEM测试与结果分析

本次TEM测试所使用仪器为GUGTEM-8瞬变电磁系统(图6a)，包括发射机、接收机和线圈，线圈边长1.5 m，共4匝，发射电流100 A。TEM测试布置如图6所示，在掌子面布设一系列测点，每个测点间距1.5 m，掌子面由左至右每个测点依次探测一次为一次测试，共进行3次测试，第1次测试线圈与地面垂直，朝向掌子面正前方，第2次测试线圈与地面倾斜约60°，朝向掌子面前上方，第3次测试线圈与地面倾斜约45°，朝向掌子面前上方。

图6 TEM测试示意图

在隧道右线RK3+750～RK4+000区段共进行一次TEM测试，测试掌子面为RK3+759，探测距离200 m。在瞬变电磁测试结果中，干燥的断层破碎带由于裂隙发育，内含空气，电导率较低，常常显示为高阻区，完整性较好的岩层显示为较低阻区域，而含水破碎带由于地下水增加了岩层导电性，显示为低阻区。由于瞬变电磁对于近掌子面区域探测存在盲区，故将掌子面前30 m范围内的探测结果删去。

探测结果如图7所示。3次探测掌子面前方80～120 m范围内均出现了高阻区，根据前期地质勘察资料推测，此处岩层受到F3-1断层切割，较为破碎，但破碎带内相对干燥。仰角20°测线在距离测试掌子面120 m以外区域呈现大片低阻区，结合地形剖面图推断，该区域为下坪填埋场内部，受到高含水率垃圾影响而呈现低阻状态。掌子面正前方150 m以后也同样出现低阻区，推断该区域可能存在连通至填埋场底部的地下水渗流通道，是否有渗滤液顺着渗流通道下渗还需进一步超前钻孔取水化验验证。

图7 TEM测试结果图

3.3 超前钻孔取水化验分析

自RK3+880里程开始，通过加深炮孔法进行超前钻孔探测，开挖每循环均进行钻探，每次加深4个炮孔，视实际情况进行增补，超前钻孔打至RK3+950附近，右拱脚部位钻孔有地下水流出，水量中等，水体清澈无异味，取水样后送至实验室进行成分化验。渗滤液中含大量有机污染物和重金属污染物，故其五日生化需氧量(BOD5)、化学需氧量(COD)，氨氮以及重金属离子含量会显著增高(Jiang et al.，2007，2009)，参考《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)，水样检测的项目为pH值、色度、悬浮物、五日生化需氧量(BOD5)、化学需氧量(COD)、氨氮、总氮、总磷、氯化物、六价铬、总铬、粪大肠菌群、铅、镉、汞和砷。

水样检测结果如表1所示，隧道超前钻孔内地下水基本为中性，BOD5、COD、氨氮、总磷、总氮等有机污染物指标检测值均远低于《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)中相关规定限值，而铬、镉、铅、汞、砷等重金属离子含量均低于其检测方法检出限。综合分析所有指标测试值，表明水样暂未受到污染，未有渗滤液补给地下水渗漏至隧道区域迹象。

表1 水样检测结果表

3.4 填埋气含量检测分析

填埋气测试采用MS500手持式气体检测仪，下穿填埋场隧道区段内，在每天隧道施工前和爆破作业前，对掌子面附近气体的甲烷、一氧化碳和硫化氢含量进行测试。检测人员在检测位置手持检测仪连续检测15 min，当数值波动较小时，记录最高值。参考相关规范，甲烷、一氧化碳和硫化氢的上限值分别为1.25%、10×10-6和25×10-6。

隧道下穿施工期间填埋气典型气体含量变化基本类似，故节选部分日期的气体含量变化图进行分析，节选检测日期为2018年6月1日至2018年6月7日，每天施工进尺量约为3 m，节选检测隧道区段为RK3+787～RK3+808。由图8可知，甲烷气体体积含量一直为0，硫化氢气体含量在0.3×10-6附近波动，一氧化碳含量在(3～12)×10-6范围内波动，气体含量变化无特定规律，且均未超出限制值。隧道在施工过程中需要多辆重型挖掘和运输工具参与，如大排量的货运卡车，检测出的一氧化碳和硫化氢推测主要来自于汽车尾气，而作为填埋气最主要成分的甲烷含量一直为0，由此判断未有下坪填埋场内填埋气泄露至隧道区域的情况存在。

图8 每日隧道内填埋气典型气体含量变化图(2018.6.1～2018.6.7，RK3+787～RK3+808)

3.5 隧道综合超前预报结果分析

综合隧道右线RK3+750～RK4+000区段内所有隧道超前预报结果，如图9所示，对于隧道开挖掌子面正前方80 m范围内，根据TGP测试结果推测围岩级别为Ⅲ级；TEM结果显示，该区域岩层阻值偏低，变化较少，推测与测试掌子面围岩质量类似(Ⅲ级)，与TGP探测结果保持一致。在掌子面前方80～120 m范围内，根据TGP测试结果推测，此区域围岩级别为Ⅳ级和Ⅳ弱级；TEM结果显示，该区域电阻值较高，推测受断层破碎带影响，围岩质量下降，与TGP探测结果同样保持一致。在隧道掌子面前方120～200 m范围，TGP测试推测围岩级别为Ⅳ级，若与TGP测试结果保持一致，TEM测试显示该区域应当同样为高阻区，然而实际测试显示该区段存在大量低阻区，推测地下水含量相对丰富，结合TEM对隧道拱顶上方岩层的探测，推测可能存在连通至填埋场底部的渗流通道，在该区域打设超前钻孔，在RK3+950附近掌子面右拱脚钻孔有地下水流出，取水化验结果显示，水样暂未被污染。

图9 隧道RK3+789～RK3+959区间段综合超前预报测试成果图

综上所述，隧道右线RK3+750～RK4+00区段综合隧道超前地质预报结果如下：RK3+750～RK3+845区段，围岩质量较好，未有潜在渗滤液渗流通道存在；RK3+845～RK3+880区段，受F3-1断层影响，围岩较为破碎，未有潜在渗滤液渗流通道存在，施工时应加强围岩变形监测，注意拱顶落石；RK3+880～RK4+000区段，围岩质量较差，存在潜在渗滤液渗流通道，但尚未发生渗滤液渗漏，施工时应当加强围岩变形监测，同时采取渗滤液渗漏防控措施。

4 隧道内渗滤液渗漏防控措施

坂银通道鸡公山隧道下穿下坪填埋场区段，综合超前预报表明，存在有连通至填埋场底部的渗流通道，但暂无渗滤液下渗。然而，一方面，在隧道施工过程中，由于隧道爆破开挖，在围岩卸荷和爆破振动的双重作用下，填埋场底部水文地质条件可能改变；另一方面，由于下坪填埋场堆载垃圾体的不断增加，在隧道运营过程中，填埋场底部衬垫系统可能失效而引发渗滤液下渗。因此，在隧道下穿填埋场区段应当采取一定的渗滤液渗漏防控措施，而在渗滤液渗漏风险区段，应当对防控措施进行进一步加强。

坂银通道鸡公山隧道非填埋场区段采用半包防水，防水卷材为1.5 mm厚PVC防水卷材外裹350 g·m-2无纺布，二衬材料采用抗渗等级P8混凝土。在隧道下穿填埋场区段，应采用全包防水(图10)，防水卷材采用1.5 mm厚HDPE防水卷材外裹350 g·m-2无纺布，二衬材料采用抗渗等级P8混凝土。而在渗滤液渗漏风险区段(如RK3+880～RK4+000)，若下坪填埋场底部衬垫系统失效，填埋场内部高水位渗滤液将与填埋场底部基岩裂隙水渗流通道相连通。为应对高压裂隙水对隧道结构的影响，该区段隧道施工时将防水卷材加强为2 mm厚HDPE防水卷材外裹400 g·m-2无纺布，二衬混凝土抗渗等级提升为P10，以此保障隧道施工与运营安全。2020年4月28日，坂银通道全程建成通车。根据运维单位观测，自投入运营以来，鸡公山隧道填埋场区段防渗系统功能良好，尚未有渗滤液下渗或渗漏水情况发生。